散热设计基础介绍

文章摘自知乎专栏-作者:陈宪

0.前言介绍

之所以开这个散热设计学习小书系列,是对自己前几年做过的功率产品热设计的一个简单总结,结合一款变频器散热设计进行展开,考虑到小书系列,点到为止,更多的技术细节并未详细展开,如果有兴趣的话,欢迎讨论。

热设计的书,市面上有的过于简单不够系统,有的又各种公式推导,这本小书从一个实际案例出发,力求简单明了,能用图和文字的地方,就尽量避免公式。

主要分下面几个章节:

1.普及热盲

散热设计是功率电力电子产品设计中重要的一部分,因为涉及到寿命,维护都是钱呀。

散热设计有几条路子:CFD仿真,风洞测试,山寨分析

  • 山寨分析

一般是小厂,自己玩,大多数都是稳态测试,做不同工作点的静态结果,评估寿命。

  • 风洞测试

像AVC之类的散热器或者风扇厂家,都会有风洞实验室,把散热器和风扇放到风洞一起进行测试,可以测试散热器风阻曲线,风扇的风阻曲线,还可以测试散热器散热动态曲线。

  • CFD仿真

这个真没玩过,感觉要牛逼的人才有资格,而且一定要和实测结果对比矫正,不然个人觉得意义不大。很多公司用CFD做散热仿真分析和设计,感觉好高大上,但是个人并不是很相信这套高大上的东西,因为之前工作,像AVC或者Merson这些牛逼公司,做出来的散热器仿真结果,与真实测试下来的仿真结果相差不小,所以CFD仅做一个定性参考比较,不可以做定量决策,要对比散热器产品,必须实测。

风冷散热设计分两部分

  • 风路设计
  • 热路设计

风路设计决定整个风路的风压与流量的工作点,而流量工作点最终决定散热器的平台温度。

热路设计决定功率芯片最高核心温度和温度波动大小。

两者混合优化,才会得到最高性价比的散热系统设计。

2.风路设计基础

不要一上来觉得很难,其实风路设计和电路设计有很多的相似之处,你可以看下面这张风道的等效电路图:

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图1.风道等效电路

风扇相当于电压源,风道相当于电阻,标准大气压相当于大地,风道流量相当于电流,特别要注意的地方是,这里所有元件都是非线性元件,而且我们只考虑静态阻性,不考虑动态特性,也就没有电容电感之类的等效器件。

风路设计,最终的目的就是选择风扇和风道风阻,得到一个合适的风压与风道流量工作点,因为流量决定了散热器的最终热阻大小,是热路设计中最重要的环节。

关于风扇选型,风道设计,还有海拔影响,后面有有更详细的介绍。

3.热路设计基础

和电路设计也有很多相似的地方,你可以看一下下面这张图:

图2.热路Cauer等效电路(符号请参考附注)

在热路设计中,发热功率P对应电流源,热阻R对应电阻,温升ΔT对应电压,热容对应电容,这里与风路设计不同的地方,我们的考虑动态热性,所以有电阻与电容的等效,同时所有元件都是等效为线性元件。

如果你还云里雾里,那看看散热器结构图3,一般发热都是功率器件(Diode 或 IGBT),然后通过导热基板(Base Plate是 功率器件的一部分,通过导热硅脂紧贴散热器),导热硅脂主要是用于减少接触热阻,最下面就是散热器Heatsink。

图3.功率器件与散热器结构图

散热的动态等效模型中有两种,一种是是图2中的Cauer等效电路,另一种是是图4中的Foster等效电路。

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图4.热路Foster等效电路

Cauer等效回路是基于实际物理特性实现对IGBT温度的瞬态效应的描述,具备真实的物理意义。而一般的IGBT数据手册中采用基于Foster等效回路进行描述,这种等效回路是采用指数曲线数值拟合的方式实现温升阻抗Zth(j-c)的描述,并不具有物理含义。

ABB或与英飞凌的技术文档里中IGBT Zth(j-c)的测试方法,均是通过饱和电压Vce-sat进行IGBT核心温度测量,具体测试流程如图5所示,先用恒功率对IGBT加热到核心温度Tj保持恒定,然后关断电流,在温度下降与上升过程中记录IGBT核心温度Tj(t)和基板温度Tc(t)。

图5.Zth(j-c)的测试

Zth(j-c)的计算公式为:

对Zth(j-c)进行指数曲线拟合,得到这样的表达,

在功率器件的数据手册中,只要描述出热阻和其对应的时间常数,即可拟合出对应的Zth(j-c),描述如图6所示,用了四组参数进行拟合。

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图6.Zth拟合示例

说了老半天,Zth的动态特性有什么意义呢?不要急,我们慢慢来,在变频器中基波频率是变化的,热阻网络本身又具备一个等效时间常数,所以不同频率下给功率器件造成的热冲击影响也是不一样的,我们看图7,对同一个热阻网络,最左边50Hz的热功率,基本被滤掉,只产生很小的热冲击,而最右边1Hz的热功率全部产生成对应的热冲击。

对于同一个热阻容散热系统,其相当于一个低通滤波器,频率高的热功率会被滤掉大部分,频率低的热功率会全部通过,所以这里涉及到热功率信号频率与散热系统的带宽概念,也就是我们前面说的Zth的。

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图7.不同频率电流产生的热冲击

更深入地热路设计,会对动态热冲击进行详细的估算,后面会有单独文章进行。

4.小结

不管你喜欢,还是不喜欢,你都逃不掉电路的影子!!

附注:

  • Diode:二极管
  • Ceramic:烤瓷基板
  • Base Plate:基板
  • Themal grease:导热硅脂
  • Heatsink:热池
  • Ta:环境温度
  • Th:热池温度
  • Tc:基板温度
  • Tj:结温
  • Rth(j-c):芯片结到基板的热阻,即junction 到 Base plate 的热阻
  • Zth(j-c):芯片结到基板的阻抗,即junction 到 Base plate的阻抗
  • Rth(c-h):基板到热池的热阻,即Base plate 到 heatsink 的热阻,包含导热硅脂和Case与heatsink的接触热阻
  • Rth(h-a):热池到空气的热阻,即heatsink到 air的热阻
  • Rth(c-a):IGBT基板到空气的热阻,即Base plate到 air的热阻

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